Tiede 1/03, Taina Kurki-Suonio ja Salomon Janhunen

Iteristä tulee ensimmäinen fuusioreaktori

Fuusiovoiman tutkijat eli ”vetypommin kesyttäjät” suunnittelevat vihdoin oikean voimalareaktorin kokoista koelaitetta. Iterin rakennuspaikka päätettäneen jo tänä vuonna. Kansainvälinen hanke on yksi kaikkien aikojen suurimmista, ja Suomen osuus voi olla siinä tärkeä.

Fuusiossa kaksi vedyn ydintä pitää saada yhtymään heliumin ytimeksi. Ongelmana on ytimien luontainen vastenmielisyys toisiaan kohtaan: koska atomiytimillä on positiivinen sähkövaraus, ne hylkivät voimakkaasti toisiaan.

Jos ytimet kuitenkin saadaan riittävän lähekkäin, sähköistä hylkyvoimaa miljoonia kertoja voimakkaampi ydinvoima vetää ytimet yhteen. Samalla vapautuu valtavasti energiaa.

Lähentäminen onnistuu, kun ytimet paiskataan toisiaan kohti tarpeeksi suurella vauhdilla. Vauhti saadaan aikaan kuumentamalla vety sadan miljoonan asteen lämpötilaan, joka on kymmenen kertaa korkeampi kuin Auringon sydämen lämpötila. Vety kuumennetaan hiukkassuihkuilla tai radioaalloilla. Miljoonien asteiden lämpötilassa aine on plasmaa, joka koostuu vapaista atomiytimistä ja elektroneista. Suurimmaksi haasteeksi muodostuukin tuon villin aineen pitäminen koossa.

Tätä nykyä kehitystyössä pisimmällä ollaan magneettisen koossapidon fuusiossa, jossa sähköistä plasmaa hallitaan voimakkailla magneettikentillä. Plasma pysyy silloin kurissa aivan kuin se olisi suljettu magneettiseen pulloon.

Suurin osa nykyisistä fuusiolaitteista on tokamakeja. Tokamak on munkkirinkilän muotoinen tyhjiökammio. Sen sisälle synnytetään sähköisesti varattu kaasu, plasma, joka koostuu elektronien lisäksi vedyn raskaiden isotooppien ytimistä eli deuteroneista ja tritoneista. Tokamak on alkuaan venäläinen ilmaus ja lyhenne rinkilää tarkoittavasta toruksesta, kammiosta (ven. kamera) ja magneetista.

Plasma pidetään koossa voimakkailla magneettikentillä, jotka kiertävät munkkirinkilää kuin ruuvikierre. Ruuvikierteinen magneettikenttä synnytetään rinkilän ympäri asetetuilla suprajohdekeloilla ja plasmassa kulkevalla miljoonien ampeerien sähkövirralla.

Fuusion fysiikka tunnetaan hyvin

Fuusioplasmafysiikan tutkimus on edennyt niin pitkälle, ettei epäilyksiä itse fuusioreaktioiden käynnistymisestä juuri ole: fuusioreaktion vaatimat korkeat lämpötilat on jo saavutettu, samoin tiheydet. Jopa fuusioplasman koossapito magneettikenttien avulla onnistuu.

Niinpä mielenkiinto ja tutkimuksen painopiste ovat siirtymässä itse fuusiopalamiseen sekä reaktorissa käytettäviin materiaaleihin. Kumpaakaan näistä ei voida tutkia nykyisillä fuusiolaitteilla, koska ne on koelaitteistoina alkuaankin rakennettu toimimaan vain muutamia minuutteja kerrallaan. Ne myös tuottavat niin vähän neutroneja, ettei reaktorimateriaalien tutkimus voimalaa vastaavissa säteilyoloissa ole mahdollista.

Kehitteillä oleva ensimmäinen fuusiovoimala Iter on suunniteltu aidosti kansainvälisenä yhteistyönä. Iter tulee sanoista International Thermonuclear Experimental Reactor, lämpöydinfuusion kansainvälinen koereaktori. Iterin tarkoituksena on osoittaa fuusioreaktorin tekninen toteutettavuus ja kehittää fuusio-oloihin sopivia materiaaleja.

Iterin suunnitteluun ovat osallistuneet EU, Yhdysvallat, Japani ja Venäjä. Yhdysvallat jäi välillä pois, mutta nyt se on tulossa takaisin. Myös Kiina haluaa mukaan. Iter onkin yksi historian suurimmista rauhanomaisista yhteisprojekteista.

Iterin plasmavirta ja magneettikenttä on suunniteltu sellaisiksi, että energiaa vapautuu vähintään kymmenen kertaa enemmän kuin koneeseen joudutaan syöttämään fuusion saamiseksi aikaan.
Iter on kaksi kertaa suurempi kuin Englannissa sijaitseva Jet, joka on toistaiseksi suurin tokamak-laite. Koon kaksinkertaistaminen nostaa tehon moninkertaiseksi: Jet-tokamakilla saatu fuusion maailmanennätys on 16 megawattia, mutta Iter toimii 500 MW:n fuusioteholla.

Rakenteet täytyy testata

Iterillä testataan kaikki oleellinen tekniikka, jota tarvitaan fuusiossa, esimerkiksi magneettikenttien tuottamiseen tarvittavat suprajohdekelat. Niiden täytyy kestää voimakasta säteilyä ja pysyä parissasadassa pakkasasteessa, vaikka kelojen keskellä on valtava ”kamiina”, joka nostaa rakenteiden lämpötilaa. Siksi myös tehokas jäähdytysjärjestelmä vaatii tarkat testaukset.

Muita kriittisiä rakenteita ovat litiumvaippa, plasman kuumentamiseen tarvittavat antennit ja divertori. Litiumvaippa kattaa reaktorin sisäpinnan. Fuusiossa vapautuu nopeita neutroneja, jotka muuttavat tähän seinään osuessaan litiumia heliumiksi ja tritiumiksi. Tritium otetaan talteen ja käytetään fuusioreaktorin polttoaineena. Divertori puolestaan on fuusioreaktorin ”jätesanko”, jonka pitää pystyä mukisematta nielemään fuusioplasmasta karkaavat erittäin nopeat hiukkaset, poistamaan fuusiossa syntynyt helium ja estämään haitallisten epäpuhtauksien ryömiminen plasmaan.

Iterin kustannusarvio on noin 4,2 miljardia euroa, eli siitä tulee suunnilleen kaksi kertaa perinteistä ydinvoimalaa kalliimpi. Se on silti samassa hintaluokassa kuin esimerkiksi Cernin suuret hiukkaskiihdyttimet. Vertailun vuoksi mainittakoon, että kansainvälisen ISS-avaruusaseman kustannukset ovat noin 50 miljardia euroa.

Iter on puhtaasti koereaktori, ei voimala. Vaikka se tuottaa hetkittäin enemmän energiaa kuin kuluttaa eli voisi toimia sähkövoimalana, siihen ei asenneta höyryturbiineja eikä se siten tuota sähköäkään. Sen sijaan siihen kytketään satoja mittauslaitteita, jotka edustavat alansa huipputekniikkaa ja ovat samalla viemässä näiden alojen kehitystyötä eteenpäin. Tulevaisuuden fuusiovoimalat ovat Iteriä merkittävästi yksinkertaisempia ja halvempia, koska niissä ei enää tarvitse tehdä näin monipuolisia testejä ja mittauksia.

Vauhtiin päästään tänä vuonna

Iterin rakentamispaikasta on tarkoitus päättää jo vuonna 2003. Sijoituspaikkaa ovat tarjonneet Ranska, Espanja, Japani ja Kanada. Iterin rakentaminen kestää kahdeksan vuotta, ja laitetta on tarkoitus käyttää noin 20 vuotta.

Iterillä saatujen tutkimustulosten perusteella rakennetaan Demo, joka toimii fuusiovoimalan prototyyppinä ja jossa turbiinien, generaattoreiden ja muiden voimalalaitteiden yhteensopivuus ”fuusiopöntön” kanssa voidaan selvittää. Demon piirustukset voidaan luonnollisesti tehdä jo Iterin käyttöaikana, mutta myös Demon rakentaminen vie vuosia – kuten perinteisen ydinvoimalankin. Näillä näkymin fuusiolla tuotetaan sähköä ensimmäisen kerran 35–50 vuoden päästä.

Hallittua fuusiota on kehitetty 50 vuotta. Hanke on hyvässä seurassa avaruustutkimuksen ja muiden äärioloja ja huipputekniikkaa vaativien projektien kanssa. Perinteiset energianlähteet riittänevät onneksi vielä toiset 50 vuotta – joskin energian hinta varmasti nousee.

Fuusioenergian tulevaisuus ja sen aikataulu ovat tästä eteenpäin ennen kaikkea poliittisten päättäjien käsissä. Ilman Iterin kaltaista koereaktoria fuusiotutkimus jäisi akateemiseksi näpertelyksi, jolla toki on arvoa mutta jolta ei voida odottaa riittävän nopeaa ratkaisua maailmaa uhkaavaan energiakriisiin.

Taina Kurki-Suonio ja Salomon Janhunen ovat fyysikoita, jotka työskentelevät energiatieteiden tutkijoina Teknillisen korkeakoulun teknillisen fysiikan osastolla.

[sivun alkuun] [sisällys] [etusivu]